材料的熱膨脹實(shí)用教案

1、本章(bn zhn)內(nèi)容 熱容(r rn) 熱膨脹 熱傳導(dǎo) 熱穩(wěn)定性第1頁(yè)/共36頁(yè)第一頁(yè)，共37頁(yè)。第二節(jié) 材料(cilio)的熱膨脹 熱膨脹的本質(zhì)(bnzh) 與其他物理性能的關(guān)系 影響因素 熱膨脹測(cè)量方法 熱膨脹的工程應(yīng)用第2頁(yè)/共36頁(yè)第二頁(yè)，共37頁(yè)。1. 熱膨脹的物理(wl)本質(zhì) 什么(shn me)是熱膨脹？ 熱膨脹系數(shù) 熱膨脹的物理本質(zhì)第3頁(yè)/共36頁(yè)第三頁(yè)，共37頁(yè)。熱膨脹系數(shù)(png zhng xsh)tlll01dtdlltt1lV3溫度每平均升高1個(gè)單位，長(zhǎng)度的相對(duì)(xingdu)變化量。n 平均線膨脹系數(shù)(png zhng xsh)n 微分線膨脹系數(shù)n 體膨脹系數(shù)cb

2、aVttt1t2各向同性各向異性dtdVVtV1第4頁(yè)/共36頁(yè)第四頁(yè)，共37頁(yè)。部分(b fen)材料的線性膨脹系數(shù) 材料名稱 l /10-6 K-1 溫度范圍 Al Ti Cr Fe Ni Cu WInvar合金6Ni-Fe 鑄鐵 黃銅 Si Al2O3 SiC Si3N4石英玻璃24.9 9.210.6016.717.117.185.190 210.5 1218.5 21 6.95 8.84.72.70.5303 573153 1133523 753303 1123693 1263 373 1573293 373273 473293 573273 373273 1273273 12732

3、73 1273273 1273第5頁(yè)/共36頁(yè)第五頁(yè)，共37頁(yè)。某些無(wú)機(jī)材料(cilio)的熱膨脹系數(shù)與溫度之間的關(guān)系無(wú)機(jī)材料的線膨脹系數(shù)(png zhng xsh)一般都不大第6頁(yè)/共36頁(yè)第六頁(yè)，共37頁(yè)。物理本質(zhì)(bnzh)（作用力曲線解釋）原子(yunz)熱振動(dòng)是非線性 的！ 溫度升高(shn o)，原子振動(dòng)激烈。 原子向右移動(dòng)的幅度更大一些， 導(dǎo)致振動(dòng)中心右移。 0 K時(shí)，原子處在平衡位置。第7頁(yè)/共36頁(yè)第七頁(yè)，共37頁(yè)。物理本質(zhì)(bnzh)（勢(shì)能曲線解釋）勢(shì)能曲線(qxin)是不對(duì)稱 的！ 0 K時(shí)，原子(yunz)的勢(shì)能最低。 溫度升高，原子的勢(shì)能增加。 勢(shì)能曲線的不對(duì)稱，使振

4、動(dòng) 中心右移。第8頁(yè)/共36頁(yè)第八頁(yè)，共37頁(yè)。材料熱膨脹的本質(zhì): 在于晶格點(diǎn)陣實(shí)際上在作非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，晶格振動(dòng)中相鄰(xin ln)質(zhì)點(diǎn)間的作用力實(shí)際上是非線性的，點(diǎn)陣能曲線也是非對(duì)稱的。理想(lxing)狀態(tài)實(shí)際(shj)狀態(tài)第9頁(yè)/共36頁(yè)第九頁(yè)，共37頁(yè)。第二節(jié) 材料(cilio)的熱膨脹 熱膨脹的本質(zhì) 與其他物理性能的關(guān)系 影響因素 熱膨脹測(cè)量方法 熱膨脹的工程(gngchng)應(yīng)用第10頁(yè)/共36頁(yè)第十頁(yè)，共37頁(yè)。2. 與其他(qt)物理性能的關(guān)系VKrCVV0VKrCVV0體膨脹與定容熱容成正比，并且它們有相似(xin s)依賴關(guān)系。1、與熱容(r rn)的關(guān)系KT /l格律乃森

5、定律第11頁(yè)/共36頁(yè)第十一頁(yè)，共37頁(yè)。Al2O3的熱容和膨脹系數(shù)隨溫度(wnd)的變化第12頁(yè)/共36頁(yè)第十二頁(yè)，共37頁(yè)。 金屬(jnsh)的結(jié)合能越大，熔點(diǎn)越高，其膨脹系數(shù)越小。068. 000CVVVTmTVm022. 0lmT2、與結(jié)合能、熔點(diǎn)(rngdin)的關(guān)系對(duì)所有(suyu)的純金屬/()maEb（a、b是常數(shù)）第13頁(yè)/共36頁(yè)第十三頁(yè)，共37頁(yè)。幾種(j zhn)材料的線膨脹系數(shù)、結(jié)合能與熔點(diǎn)第14頁(yè)/共36頁(yè)第十四頁(yè)，共37頁(yè)。3、與結(jié)構(gòu)(jigu)的關(guān)系n 對(duì)結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)(png zhng xsh)較大。n 而對(duì)無(wú)定形的玻璃(b l)，膨脹系數(shù)較小。n

6、溫度升高時(shí)發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變，也會(huì)引起膨脹系 數(shù)的改變。第15頁(yè)/共36頁(yè)第十五頁(yè)，共37頁(yè)。ZrO2陶瓷(toc)的熱膨脹曲線1000時(shí)單斜晶型四方(sfng)晶型發(fā)生(fshng)體積收縮 4 %第16頁(yè)/共36頁(yè)第十六頁(yè)，共37頁(yè)。4. 與相變的關(guān)系(gun x)一級(jí)一級(jí)二級(jí)二級(jí)第17頁(yè)/共36頁(yè)第十七頁(yè)，共37頁(yè)。第二節(jié) 材料(cilio)的熱膨脹 熱膨脹的本質(zhì) 與其他物理性能的關(guān)系 影響因素(yn s) 熱膨脹測(cè)量方法 熱膨脹的工程應(yīng)用第18頁(yè)/共36頁(yè)第十八頁(yè)，共37頁(yè)。3. 影響熱膨脹性能(xngnng)的因素 相變的影響 成分(chng fn)和組織的影響 各向異性的影響第19頁(yè)/

7、共36頁(yè)第十九頁(yè)，共37頁(yè)。相變的影響(yngxing) 一級(jí)相變：體積(tj)突變，有相變潛熱。 二級(jí)相變：無(wú)體積(tj)突變和相變潛熱； 但膨脹系數(shù)和比熱容有突變。直接(zhji)用熱膨脹實(shí)驗(yàn)分析用熱膨脹實(shí)驗(yàn)可以研究二級(jí)相變第20頁(yè)/共36頁(yè)第二十頁(yè)，共37頁(yè)。二級(jí)相變 同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變 有序無(wú)序(w x)轉(zhuǎn)變 溫度變化時(shí)發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變Fe：相 相Cu-Au合金(hjn)第21頁(yè)/共36頁(yè)第二十一頁(yè)，共37頁(yè)?；瘜W(xué)成分的影響(yngxing)固溶體的熱膨脹系數(shù)略低于按直線(zhxin)規(guī)律計(jì)算的值。Cu AuCu Au合金合金(hjn)(hjn)固溶體的膨脹系數(shù)固溶體的膨脹系數(shù)0204060

8、80100rE / %lCu Au合金膨脹系數(shù)第22頁(yè)/共36頁(yè)第二十二頁(yè)，共37頁(yè)。兩相材料熱膨脹系數(shù)計(jì)算(j sun)值的比較 多相合金體的膨脹系數(shù)(png zhng xsh)主要取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量?jī)?nèi)應(yīng)力抑制(yzh)了熱膨脹第23頁(yè)/共36頁(yè)第二十三頁(yè)，共37頁(yè)。第二節(jié) 材料(cilio)的熱膨脹 熱膨脹的本質(zhì) 與其他物理性能的關(guān)系(gun x) 影響因素 熱膨脹測(cè)量方法 熱膨脹的工程應(yīng)用第24頁(yè)/共36頁(yè)第二十四頁(yè)，共37頁(yè)。4. 熱膨脹的測(cè)量(cling)u 光學(xué)(gungxu)膨脹儀u 電測(cè)試膨脹儀u 機(jī)械式膨脹儀光杠桿膨脹(png zhng)儀光干涉法電感式膨脹儀電容式膨脹

9、儀千分表式膨脹儀杠桿式膨脹儀光杠桿式膨脹儀原理圖光底片標(biāo)準(zhǔn)試樣待測(cè)試樣第25頁(yè)/共36頁(yè)第二十五頁(yè)，共37頁(yè)。熱膨脹測(cè)試儀（德國(guó)耐馳公司(n s)）測(cè)試原理： 將樣品放入爐體內(nèi)，施一定溫度程序，此時(shí)樣品長(zhǎng)度(chngd)的變化通過(guò)推桿傳遞到左側(cè)的檢測(cè)單元，并由位移傳感器測(cè)量得到結(jié)果。材料(cilio)學(xué)院A306室第26頁(yè)/共36頁(yè)第二十六頁(yè)，共37頁(yè)。一、技術(shù)參數(shù)：1. 升降溫速率：0-50 K/min2. 測(cè)量范圍：5005000 m3. 樣品長(zhǎng)度：最大 50 mm 樣品直徑：最大 12 mm4. L 分辨率：0.125 nm / 1.25 nm5. 樣品支架：石英支架（ 1100），氧化

10、鋁支架（ 1700）， 石墨支架（2000）二、主要特點(diǎn)：1. DIL提供多種類型的樣品支架與爐體配置(pizh)。 2. 提供各種配件使測(cè)試更靈活方便。 3. 提供速率控制燒結(jié)軟件（RCS）。 4. 提供 c-DTA 功能，可通過(guò)圖譜分析計(jì)算得到差熱DTA曲線。三、 應(yīng)用領(lǐng)域： 可測(cè)量固體、熔融金屬、粉末、涂料等各類樣品，廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)陶瓷、金屬材料、塑膠聚合物、建筑材料、涂層材料、耐火材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域。德國(guó)耐馳 DIL402C熱膨脹儀 第27頁(yè)/共36頁(yè)第二十七頁(yè)，共37頁(yè)。熱膨脹儀典型(dinxng)圖譜第28頁(yè)/共36頁(yè)第二十八頁(yè)，共37頁(yè)。第二節(jié) 材料(cilio)的熱膨脹 熱膨

11、脹的本質(zhì) 與其他物理性能的關(guān)系 影響因素 熱膨脹測(cè)量方法 熱膨脹的工程(gngchng)應(yīng)用第29頁(yè)/共36頁(yè)第二十九頁(yè)，共37頁(yè)。5. 熱膨脹的工程(gngchng)應(yīng)用1、熱膨脹的工程(gngchng)意義陶瓷工業(yè)薄膜生長(zhǎng)(shngzhng)航天器的設(shè)計(jì)金屬的表面改性施釉要求釉層的膨脹系數(shù)比坯體要小為什么？結(jié)合后面涉及到的熱應(yīng)力知識(shí)進(jìn)行解釋?？敬裳牢C(jī)械（MENS）領(lǐng)域第30頁(yè)/共36頁(yè)第三十頁(yè)，共37頁(yè)。熱膨脹在工程中的意義 熱膨脹系數(shù)是材料的一項(xiàng)重要熱學(xué)性能指標(biāo)，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要意義。1) 是決定材料抗熱震性的主要因素。2) 陶瓷坯上釉， 二者應(yīng)匹配。釉適當(dāng)小于坯，燒結(jié)冷卻過(guò)程

12、中，釉層收縮小，使釉層中存在壓應(yīng)力，提高釉層強(qiáng)度，防止裂紋產(chǎn)生。小的太多也不行，會(huì)使釉層脫落。3) 集成電路、電子管、特種燈生產(chǎn)中。4) 復(fù)合材料(f h ci lio)制備。5) 精密儀器儀表。第31頁(yè)/共36頁(yè)第三十一頁(yè)，共37頁(yè)。材料材料(cilio)的種類（依據(jù)熱膨的種類（依據(jù)熱膨脹系數(shù)）脹系數(shù)） 高熱膨脹材料(cilio) 零熱膨脹材料(cilio) 負(fù)熱膨脹材料(cilio)金屬材料、高分子材料，具有(jyu)較高的彈性和塑性。形狀記憶合金、智能材料、微型機(jī)械等合金材料、陶瓷材料航空航天、精密儀表等領(lǐng)域航空航天、光電子精密儀器制造等領(lǐng)域陶瓷材料第32頁(yè)/共36頁(yè)第三十二頁(yè)，共37頁(yè)

13、。2、熱膨脹分析(fnx)的應(yīng)用 膨脹分析對(duì)研究鋼在加熱、等溫、連續(xù)冷卻和回火過(guò)程中的轉(zhuǎn)變非常(fichng)有效。 確定鋼的組織(zzh)轉(zhuǎn)變點(diǎn) 研究加熱轉(zhuǎn)變第33頁(yè)/共36頁(yè)第三十三頁(yè)，共37頁(yè)。小結(jié)(xioji)u 熱膨脹系數(shù)u 物理(wl)本質(zhì)u 與其他物理(wl)性能的關(guān)系u 影響因素u 測(cè)量方法u 熱膨脹的工程應(yīng)用第34頁(yè)/共36頁(yè)第三十四頁(yè)，共37頁(yè)。思考題1-3 試結(jié)合熱膨脹機(jī)理分析，即使在相同的室溫條件下，不同的固體材料也往往具有不同的熱膨脹系數(shù)的原因。1-4 試分析應(yīng)如何(rh)選擇陶瓷制品表面釉層的熱膨脹系數(shù)，可以使制品的力學(xué)強(qiáng)度得以提高。 第35頁(yè)/共36頁(yè)第三十五頁(yè)，共37頁(yè)。感謝您的觀看(gunkn)！第36頁(yè)/共36頁(yè)第三十六頁(yè)，共37頁(yè)。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)本章內(nèi)容。Al2O3的熱容和